特高压直流输电关键技术、成套设备及工程应用

陈奇

摘要：随着经济和技术的飞速发展，输电线路的电压等级也从低压输电发展到目前的超高压输电，特高压直流输电是指直流 1000kV 及以上电压等级的输电技术，与常规 500kV 直流输电相比，1000kV 直流输电线路自然输送功率为 4～5 倍，输电距离为 2～3 倍，输送相同容量时的损耗只有 1/3～ 1/4、走廊宽度只有 1/2～1/3，具有大容量、远距离、低损耗、省占地的突出优势。在研究中应用最为广泛。

关键词：特高压直流输电;关键技术;成套设备;工程应用

1阳极电抗器的作用分析

a）限制晶闸管开通瞬间的电流上升率。换流阀开通暂态过程中，晶闸管的导通开始于门极附近，导通面积需要一定时间逐渐扩展。如果在晶闸管导通面积还没扩散情况下流过相当大的电流，由此造成的晶闸管局部温度升高可能导致器件损坏。因此在换流阀开通瞬间为了保护晶闸管，配置阳极电抗器抑制电流快速上升。通常要求饱和前时间大于2μs，饱和前di/dt小于300 A/μs，饱和后di/dt小于2 700 A/μs。

b）限制晶闸管关断瞬间的电流变化率。换流阀在关断过程中，由于电荷具有存储效应，晶闸管电流在正向过零后不会立即恢复阻断，而是继续有反向电流流过。如果反向恢复电流di/dt过大，晶闸管存储的电荷较多，导致关断期间的反向过电压过高。因此，阳极电抗器在一定程度上能夠降低晶闸管的反向恢复期的过电压。当然，反向恢复期的过电压限制主要是靠阻尼回路起作用。

2换流阀宽频建模设计

以某高压直流工程±500kV换流阀MVU为例，建立换流阀的宽频等效电路模型。鉴于换流阀复杂的电气结构，本文先对阀段结构的晶闸管、阳极饱和电抗器、阻容吸收回路、冲击电容等元器件分别进行分析，并按照电气连接将模型完善;然后对每个阀中的元器件、阀层之间的多种寄生电容建模;最后根据换流阀的主要部件电气连接和阀层寄生电容分布获得了换流阀宽频等效电路模型。利用此模型计算500kV换流阀MVU在承受雷电等冲击电压时阀塔的电压不平衡系数，分析阀塔的电压分布情况。

2.1阀段建模

阀段是换流阀的基本单元，由晶闸管、阻容回路、阳极饱和电抗器、TVM板、冲击电容（均压电容）等组成。一个阀组件包含2个阀段。该阀组件中，每个阀段包含13组晶闸管回路。

（1）晶闸管模型。在实际情况下，晶闸管阴阳极之间存在结电容，而且含有较小的电阻。其中Cthy为晶闸管结电容，Rthy为晶闸管的寄生电阻。

（2）阻容回路模型。阻容回路包括吸收电容和水冷电阻。由于这两个器件寄生参数几乎不存在，因此在模型中可直接使用其元件标称值。阻容回路的静态模型直接建立为电阻与电容串联。

（3）冲击电容模型。阀段中的冲击电容主要用于吸收电路中的冲击电压。经测量几乎不存在寄生参数，因此可使用元件的标称值。冲击电容静态模型建立为无寄生参数的电容。

（4）阳极饱和电抗器模型。实际运行中的阳极饱和电抗器属于非线性元件，在不同的运行条件下体现出不同的动态性能。饱和电抗器的饱和状态主要是针对工频或直流情况，其饱和特性（主电感的变化）与铁芯材料及流过的电流有关，而其他参数与主电感的饱和与否无关。在时间短、幅值大的过电压冲击下，可将饱和电抗器近似看做线性元件。

（5）阀段回路模型。换流器单阀由若干阀段串联构成。Rb、Cb为阻容缓冲吸收电路参数;LVD为阀电抗器;V为开关元件等值电路;Ck为均压电容。在一定的频率范围内，与波长相比，换流器的尺寸较小，忽略其波过程，用集中参数元件进行建模。假设换流阀中同类元件参数相同，且电压和电流在每个单元中均匀分布，则单阀可用简化电路等值表示，其中nk为每个阀臂中均压电容总个数，nV为晶闸管总个数，nvd为阀电抗总个数。

2.2换流阀MVU阀塔主要宽频参数

研究的换流阀模型中，一个阀组件有26个晶闸管硅堆。阀塔采用双塔Z型连接方式，3个阀段组成一个单阀。某高压直流工程±500kV采用四重塔结构，即一个阀塔由4个单阀组成。根据IEC型式试验要求，换流阀雷电冲击外绝缘试验样品应采用一个换流阀阀塔作为试品，并短接一个单阀进行试验，即采用3个单阀组成的换流阀MVU作为试验样品。因此针对本工程的建模，采用3个单阀组成换流阀MVU结构。

2.3杂散参数确定

在明确换流阀主要部件的宽频模型后，现场使用电缆连接受试设备和测量装置，通过测量信号源内阻与被测设备的分压比，以获得外电路的阻抗特性，并将测量数据与宽频模型进行拟合得出主要部件的模型参数。在现场实际测量阀层之间的杂散电容时，是将阀模块中的一个晶闸管组中晶闸管与阻容回路断开，视其电路为开路。实际情况下，晶闸管有限的结电容使电路依然构成回路，故仿真中需将晶闸管组的模型考虑在内。除断开一个晶闸管组以外，还断开了冲击电容。在MATLAB中建立测量换流阀MVU的等效电路，将测量结果与MATLAB中仿真结果进行比对，得出杂散参数。

3换流区平面布置优化

3.1换流变区

换流变按照结构可分为三相三绕组、三相双绕组、单相三绕组和单相双绕组。对于容量较小的柔性直流输电工程，可采用三相换流变，在换流变内部实现阀侧绕组星形或三角形联结，变压器制造工艺成熟，每台换流变在阀侧仅3个出线套管，如南汇和舟山柔性直流输电工程。对于大容量柔性直流输电工程，一般采用单相双绕组换流变，每台换流变阀侧有2个套管出线，需要在换流变外完成绕组星形或三角形接线。单相三绕组多用于单极12脉动接线的直流输电工程，换流变阀侧1组绕组需接成星形，另1组接成三角形，目前还少有工程应用。

3.2启动回路区

启动回路主要包括启动电阻和与之并联的旁路断路器，用以限制换流阀子模块电容器充电过程中的过电流。相较于常规直流，启动电阻是柔性直流换流站的独有回路。直线型接线简洁顺畅，但相间空隙较大，空间浪费严重。初步布置下来，常规方案启动电阻区的长度为40.8m。为此，可以考虑将启动电阻及旁路开关外的其他设备，包括电压电流测量装置和开关设备等，全部封装进HGIS里，然后配合启动电阻回路转角布置。HGIS具有体积小的显著优势，可大大缩减这些敞开式开关测量设备造成的占地浪费。初步布置下来，启动电阻区采用HGIS设备后的长度为22m，较常规方案减少了18.8m。

4结论

中国特高压直流工程的成功实践充分验证了特高压直流输变电技术大规模应用的可行性，为特高压直流输电技术的进一步发展和应用奠定了坚实的基础。

参考文献

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